新高考版高考化学一轮复习教师用书：专题十五 电解池 金属的腐蚀与防护

-(3)[2014山东,30(1),6分]离子液体是一种室温熔融盐,为非水体系。由有机阳离子、Al2Cl-7和AlCl4组成的离子

液体作电解液时,可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的 极,已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极电极反应式为 。若改用AlCl3水溶液作电解液,则阴极产物为 。

(1)结合图1电解原理可知,Fe电极发生氧化反应,为阳极;在阴极上有H2生成,故电解时的总反应为Fe+2

+H2↑或Fe+2C5H6

Fe(C5H5)2+H2↑。结合相关反应可知,电解制备需要在无水条件下进

4H++O2↑,阳极室H+向a室迁移,a室中的Na2SO3转化成

行,否则水会阻碍中间产物Na的生成;水会电解生成OH-,OH-会进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2,从而阻碍二茂铁的生成。(2)阳极发生氧化反应,2H2O-4e-NaHSO3。阴极发生还原反应,析出H2,OH-增多,Na+由a室向b室迁移,则b室中Na2SO3浓度增大。(3)电镀时,钢制品为镀件,应作阴极,故应与电源的负极相连接。根据题意,阴极发生得电子的还原反应,应生成金属铝,

-电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,则Al2Cl-7、AlCl4参与电极反应,故阴极的电极反应-式为4Al2Cl-7+3e

+Al+7AlCl-4。电解AlCl3水溶液时,阴极为H得电子生成H2。

(1)Fe电极 Fe+2

-4Al2Cl-7+3e

+H2↑[或Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑] 水会阻碍中间物Na的生成;

4H++O2↑ a (3)负

水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2 (2)2H2O-4e-Al+7AlCl-4 H2

考法归纳·应用实践

做到“三看”,正确书写电极反应式

1.一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,金属本身发生氧化反应。

2.二看介质类型及介质是否参与电极反应。若电极反应的产物与酸性或碱性介质反应,则在书写电极反应式时需要将电解产物与酸或碱的反应合并到电极反应式中。

3.三看是否有特殊信息,如本题第(2)问的离子液体是非水体系,且不产生其他离子,因而离子只能在Al2Cl-7和AlCl-4之间转化。 拓展延伸·迁移创新

本题第(2)问可以从以下角度进行设问:

①判断两个离子交换膜的属性以及书写a室反应的离子方程式。

--提示:“a室的NaHSO3浓度增加”表明阳极生成的H+穿过离子交换膜进入a室,与SO23结合生成HSO3,离子方-程式为H++SO23-气,2HSO-3+2e

HSO-3;“b室的Na2SO3浓度增加”说明b室中发生还原反应,放出氢

-2-+2SO23+H2↑。由于b室中SO3浓度增加,吸引a室中的Na穿过离子交换膜进入b室,故两

个离子交换膜均为阳离子交换膜。

②从定量角度进行考查,如a室增加0.1molNaHSO3时,两极共生成气体的质量为0.9g。

提示:a室增加0.1molNaHSO3表明有0.1molH+穿过离子交换膜,此时外电路中有0.1mole-通过,该电解池相当于电解水,每转移4mole-时,两极共生成36g气体,故转移0.1mole-时,两极共生成0.9g气体。

4. (1)[2015四川,4改编]用如图1所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,

阳极产生的

ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。阳极的电极反应式是 ,阴极的电极反应式是 ,除去CN-的反应为 。

图1

(2)[2014四川,11(4)(5),6分]①MnO2可作超级电容器材料。用惰性电极电解MnSO4溶液可制得MnO2,其阳极的电极反应式是 。

②MnO2是碱性锌锰电池的正极材料。碱性锌锰电池放电时,正极的电极反应式是 。

(3)[2014北京,26(4),4分]电解NO制备NH4NO3,其工作原理如图2所示。为使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充物质A。A是 ,说明理由: 。

图2

(4)[2014新课标全国卷Ⅱ,27(3),6分]PbO2可由PbO与次氯酸钠溶液反应制得,反应的离子方程式为 ;PbO2也可以通过石墨为电极,Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液为电解液电解制取。阳极发生的电极反应式为 ,阴极上观察到的现象是 ;若电解液中不加入Cu(NO3)2,阴极发生的电极反应式为 是 。

,这样做的主要缺点

考法3多室膜电解装置

近几年高考涉及交换膜装置的题较多,重点在避免副反应发生、分离提纯、提高电池效率、定量分析计算、反应物再生、工业制备等方面进行命题,且从单膜到多膜,从单室到多室,渐趋复杂。常考的有“两室电解池”(2015山东第29题,两室电解池制备LiOH)、“三室电解池”(2016全国卷Ⅰ第11题,三室式电渗析法处理废水)、“四室电解池”(2014新课标全国卷Ⅰ第27题,四室电渗析法制备H3PO2)。多室多膜电解槽是电解原理的创新应用,能较好地考查“宏观辨识与微观探析”和“证据推理与模型认知”核心素养,所以多室多膜电解槽是高考命题的热点。今后可能的命题方向:(1)将交换膜用于新型工业电解或电渗析装置中。(2)非选择题中将交换膜在原电池和电解池中同时使用,并比较作用的不同。

多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性,即容许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过,将电解池分为两室、三室等,以达到浓缩、净化、提纯以及电化学合成的目的。 1.两室电解池

以惰性电极电解一定浓度的Na2CO3溶液为例,其原理如图所示:

(1)电极名称的判断:根据“阴阳相吸”判断,Na+移向的乙电极是阴极;根据“阳极放氧生酸”判断,左侧有氧气生成的甲电极是阳极。

(2)电极反应式的书写:右侧阴极区电解液为稀氢氧化钠溶液,根据“阴极放氢生碱”,得4H2O+4e--2H2↑+4OH-,A为氢气;左侧阳极区电解液为碳酸钠溶液,根据“阳极放氧生酸”,且H+会与CO23结

2--合生成HCO-3,得2H2O-4e+4CO3拓展延伸

4HCO-3+O2↑。

“阴阳相吸”是很多化学反应的微观基础,其含义有①阴离子与阳离子相互吸引并发生迁移;②阴极吸引电解质溶液中的阳离子,阳极吸引电解质溶液中的阴离子,并使阳离子、阴离子发生定向移动;③正极吸引自由电子,使电子经过金属导线由负极定向移动到正极。 2.三室电解池

以三室式电渗析法处理含KNO3的废水得到KOH和HNO3为例,其原理如图所示:

(1)阴极反应及ab膜的判断:阴极的电极反应式是4H2O+4e-

2H2↑+4OH-(放氢生碱),生成的OH-吸引中间O2↑+4H+(放氧生酸),生成的H+吸引中间隔室的

隔室的K+向阴极区迁移,得到KOH溶液,阴极区溶液的pH增大,ab膜为阳离子交换膜。 (2)阳极反应及cd膜的判断:阳极的电极反应式是2H2O-4e-NO-3向阳极区迁移,得到HNO3溶液,阳极区溶液的pH减小,cd膜为阴离子交换膜。 注意 4

K

N

虽然其实质是电解水,但总反应不能写成2H2OO

3

2H2↑+O2↑,而应该写为4

K

O

H

+

O

2

+6H

2

O2H

2

↑+↑+

4HNO3。 3.四室电解池

以四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例,其工作原理如图所示:

电解稀硫酸的阳极反应为2H2O-4e-4H2O+4e-

O2↑+4H+(放氧生酸),产生的H+通过阳离子交换膜进入产品室,原料室

+中的H2PO-2通过阴离子交换膜进入产品室,与H结合生成弱电解质H3PO2;电解NaOH稀溶液的阴极反应为

2H2↑+4OH-(放氢生碱),原料室中的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室。

命题角度1 两室膜电解装置

7[2015山东,29节选,6分]利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。

利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为 溶液(填化学式),阳极电极反应式为 ,电解过程中Li+向 电极迁移(填“A”或“B”)。

产生H2的极为阴极,同时产生OH-,Li+通过阳离子交换膜进入阴极,阴极区电解液为LiOH溶液。阳极区电解液为LiCl溶液,Cl-发生失电子的氧化反应生成Cl2。

LiOH 2Cl--2e-Cl2↑ B

命题角度2 三室电解池(热点角度)

8 [2016全国卷Ⅰ,11,6分]三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd

-均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO24可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不

能进入中间隔室。

下列叙述正确的是

-A.通电后中间隔室的SO24离子向正极迁移,正极区溶液pH增大

B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品 C.负极反应为2H2O-4e-O2+4H+,负极区溶液pH降低

D.当电路中通过1 mol电子的电荷量时,会有0.5 mol的O2生成

本题看似是废水的处理问题,实际上是电解原理的具体应用。题中所谓的“正极”和“负极”,实质上就是

电解池的“阳极”和“阴极”。在负极区和正极区发生的反应,实质上就是电解池的阴极反应和阳极反应。答题关键在于对电解基本原理的理解和掌握。

A项考查电解池中离子的迁移方向和溶液中正极区(阳极)离子的放电情况。电解池中,阳离子向阴极迁

--移,阴离子向阳极迁移。因此,SO24向阳极(正极区)迁移,根据离子放电顺序,溶液中水电离出的OH在阳极(正极

区)失去电子发生氧化反应生成氧气。由于两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室,因此水电离出的H+保留在正极区,最终导致该极区H+浓度增大,pH减小,A项错误。B项考查对电解池电极产物的分析。由于两端隔室

-中离子被阻挡不能进入中间隔室,因此在阳极(正极区)H+浓度增大,同时,中间隔室的SO24将迁移到正极区,最终

会生成H2SO4。在阴极(负极区),溶液中水电离出的H+得到电子发生还原反应生成氢气,水电离出的OH-保留在该极区,最终导致该极区OH-浓度增大,同时,中间隔室的Na+将迁移到负极区,最终会生成NaOH,B项正确。C项考查电极反应式的书写和电解池中阴极离子的放电情况。在阴极(负极区),电极反应式为2H2O+2e- B

拓展延伸·迁移创新

(1)如果废水中只有Na2SO4,不考虑其他物质的存在,只去掉ab膜,且通电时间足够长,最终能否得到NaOH溶液和H2SO4溶液?如果只去掉cd膜呢?

-提示:如果只去掉ab膜,两个极区的电极反应不会发生变化,废水中的SO24依然会通过cd膜进入正极(阳极)区-得到H2SO4溶液。当通电时间足够长,SO24全部进入正极区时,cd膜左侧的溶液即为NaOH溶液。如果只去掉

H2↑+2OH-,C项错误。D项考查电解池中电子转移的有关计算。每生成1molO2要转移4mol

电子,因此,当电路中通过1mol电子的电荷量时,生成的O2应为0.25mol,D项错误。

cd膜,则在负极(阴极)区可以得到NaOH溶液,ab膜右侧最终得到H2SO4溶液。

(2)常温下,如果Na2SO4的量足够,当电路中通过0.1mol电子的电荷量时,负极区和正极区溶液的pH分别为多少?(设两个极区的溶液体积均为1L)

提示:当电路中通过0.1mol电子的电荷量时,根据负极(阴极)区反应2H2O+2e-的物质的量为0.1mol,所以溶液pH为13;根据正极(阳极)区反应2H2O-4e-的量为0.1mol,所以溶液pH为1。

(3)废水处理完毕后,如果去掉ab膜和cd膜,将三部分溶液充分混合,再经过什么处理,可将溶液恢复到原状态? 提示:从两个电极反应不难看出,整个电解过程的实质是电解水,因此去掉ab膜和cd膜后,正极区和负极区的溶液会发生中和反应,最终仍得到Na2SO4溶液。只需要补充电解过程中消耗掉的水,即可将溶液恢复至原状态。

5. 厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理,同时得到乳酸,其原理如图所示(图中HA表示乳酸分

子,A-表示乳酸根离子)。下列说法正确的是( )

H2↑+2OH-可求得生成OH-O2↑+4H+可求得生成H+的物质